第二章第二章 半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级1编辑ppt2编辑ppt2.1.12.1.1、杂质的的类型型杂质：半半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质在半在半导体中的分布状况体中的分布状况 （1 1）替位式）替位式杂质 ：杂质原子与被替代的晶格原子的大小原子与被替代的晶格原子的大小比比较相近，而且其价相近，而且其价电子子层结构也比构也比较相近相近（2 2）间隙式隙式杂质：通常：通常这种种杂质的原子半径是比的原子半径是比较小的小的 （3 3）杂质浓度：度：单位体位体积中的中的杂质原子数原子数3编辑ppt举例：例：SiSi中中掺磷磷P P（SiSi：P P） 2.1.2 2.1.2 施主施主杂质、施主能、施主能级施主杂质对半导体材料提供导电电子的杂质,称为施主杂质或者N型杂质杂质电离价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。4编辑ppt2.1.2 2.1.2 施主施主杂质、施主能、施主能级在在SiSi单晶中，晶中，V V族施主替位族施主替位杂质两种荷两种荷电状状态的价的价键图（a）电离离态（b）中性施主中性施主态5编辑ppt杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所需的能量ED=EC-ED E ED D=E=EC C-E-ED DECEDEV 施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0空穴浓度p06编辑ppt2.1.3 2.1.3 受主受主杂质、受主能、受主能级举例：例：SiSi中中掺硼硼B B（SiSi：B B）受主杂质B在晶体中而产生导电空穴，被称为受主杂质或者P型杂质杂质电离受主杂质接受一个电子，在晶体中产生一个空穴的过程，称为杂质电离。7编辑ppt 在在SiSi单晶中，晶中，族受主替位族受主替位杂质两种荷两种荷电状状态的的价价键图（a a）电离离态（b b）中性受主中性受主态8编辑pptE EA A=E=EA A-E-EV VECEAEV 空穴浓度p0电子浓度n0l受主能受主能级：把被受主：把被受主杂质所束所束缚的空穴的能量的空穴的能量状状态称称为受主能受主能级。 受主受主电离能：离能：是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量E EA A=E=EA A-E-EV V 9编辑ppt杂 质 半半 导 体体1 1、n n 型半型半导体：体： 特征：特征： a a、施主施主杂质电离，离，导带中出中出现施主提供的施主提供的电子子 b b、电子子浓度度nn空穴空穴浓度度p p2 2、p p 型半型半导体体： 特征特征： a a、受主受主杂质电离，价离，价带中出中出现受主提供的空穴受主提供的空穴 b b、空穴空穴浓度度pp电子子浓度度n n10编辑ppt杂质能能级位于禁位于禁带之中之中 Ec 杂质能能级 Ev 11编辑ppt上述上述杂质的特点：的特点：施主电离能ED Eg受主电离能 EA Eg 浅能级杂质杂质的双重作用： 1、改变半导体的电阻率 2、决定半导体的导电类型即：杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近12编辑ppt2.1.4 2.1.4 浅能浅能级杂质电离能的离能的简单计算算（1 1）用）用类氢原子模型估算浅能原子模型估算浅能级杂质的的电离能离能浅能浅能级杂质 = = 杂质离子离子 + + 束束缚电子（空穴）子（空穴）13编辑ppt（2） 氢原子基原子基态电子的子的电离离能能氢原子电子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子的电离能：故基态电子的电离能：2.1.4 2.1.4 浅能浅能级杂质电离能的离能的简单计算算14编辑ppt正、正、负电荷所荷所处介介质：15编辑ppt估算结果与实际测 量值有相同数量级Ge： ED 0.0064 eVSi: ED 0.025 eV 16编辑ppt2.1.2.1.5 5、杂 质 的的 补 偿 作作 用用1 1、本征激、本征激发与本征半与本征半导体体（1 1）本征激）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激本征激发。17编辑ppt即：即：n0=p0=ni（ ni为本征本征载流子流子浓度）度）（2 2）本征半）本征半导体：体：不含杂质的半导体就是 本征半导体。n ni i= n= ni i（T T）电子子浓度度空穴空穴浓度度n0=p0=ni18编辑ppt在室温（在室温（RT=300KRT=300K）下：下： n ni i （GeGe）2.4102.4101313cmcm-3-3 n ni i （SiSi） 1.5101.5101010cmcm-3-3 n ni i （GaAsGaAs） 1.6101.6106 6cmcm-3-3ni本征载流子浓度19编辑ppt（3 3）n n型半型半导体与体与p p型半型半导体体( (A)A)如如施主施主浓度度N ND Dnni i n n型半型半导体体(B)如受主浓度NAni p型半导体 当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能ED或 EA很小（RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。20编辑ppt(4)(4)杂质的的补偿, ,既既掺有施主又有施主又掺有受主有受主（A）ND(施主浓度） NA（受主浓度）时 所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NAni 因 EA 在 ED 之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。补偿半半导体体n n型半型半导体体EDEAUESTC Nuo Liu21编辑ppt（B）NAND时 ED EA所以：有效的受主浓度 ND*=ND-NAnip p型半型半导体体 因因 E EA A 在在 E ED D 之下之下， E ED D上的束上的束缚电子首子首先填充先填充E EA A上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束，剩余的束缚空穴再空穴再电离到价离到价带上。上。22编辑ppt（C）NAND时 杂质的高度的高度补偿 23编辑ppt 就就实际而言：半而言：半导体的最重要的性体的最重要的性质之一，之一，就是能就是能够利用施主和受主利用施主和受主杂质两种两种杂质进行参行参杂，并利用并利用杂质的的补偿作用，根据人作用，根据人们的需要改的需要改变半半导体中某一区域的体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。型，以制成各种器件。24编辑ppt2.1.6 2.1.6 深能深能级杂质（1）浅能）浅能级杂质（2）深能）深能级杂质E DEgEAEgEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远UESTC Nuo Liu25编辑ppt深能深能级杂质的特征的特征 1 1 、浅能浅能级施主能施主能级靠近靠近导带，浅能，浅能级受主能受主能级靠靠近价近价带；深能；深能级施主施主则主要位于禁主要位于禁带中中线下，深能下，深能级受受主主要位于禁主主要位于禁带中中线上。上。26编辑ppt例例1 1：AuAu（族族）在在GeGe中中 Au Au在在GeGe中共有五种可能的状中共有五种可能的状态： （1 1）AuAu+ +；（；（2 2） Au Au0 0 （3 3） Au Au一一 （4 4） Au Au二二 （5 5） Au Au三三。2 2、多重能、多重能级特性：一些深能特性：一些深能级杂质产生多次生多次电离，离，导致多重能致多重能级特性。特性。27编辑ppt（1 1）AuAu+ +： Au0 e Au+EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。28编辑ppt（2 2） Au Au一：一： AuAu0 0 + e Au+ e Au一一EA1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA129编辑ppt（3 3） Au Au二：二：AuAu一一 + + e Aue Au二二ECEA2EA1EVE=EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA230编辑ppt（4 4） Au Au三：三： Au二 + e Au三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA331编辑pptAu在在Si中既可作施主，中既可作施主，又可作受主，称又可作受主，称为两两性性杂质；如果在如果在Si中中掺入入Au的的同同时又又掺入浅受主入浅受主杂质，Au呈施主作用呈施主作用；反之，若同反之，若同时掺入施入施主主杂质，则Au呈受主呈受主作用。作用。ECEVEAED32编辑ppt 由于由于电子子间的的库仑排斥力的作用，排斥力的作用，AuAu从价从价带接接受第二个受第二个电子所需的子所需的电离能比接受第一个离能比接受第一个电子子时要要大，接受第三个大，接受第三个对比第二个大，所以比第二个大，所以E EA3A3EEA2A2EEA1A1。 深能深能级杂质在半在半导体中以替位式的形体中以替位式的形态存在，一存在，一般情况下含量极少，它般情况下含量极少，它们对半半导体中的体中的导电电子子浓度，度，导电空穴空穴浓度和材料的度和材料的导电类型的影响没有浅型的影响没有浅能能级杂质显著，著，但但对载流子的复合作用比浅能流子的复合作用比浅能级杂质强得多。得多。33编辑ppt2.4-族化合物中德尔杂质能级（1）等）等电子子杂质特征：特征：a、与本征元素同族但不同原子序数与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中中掺入入族的族的N或或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上以替位形式存在于晶体中，基本上 是是电中性的。中性的。34编辑ppt（2 2）等）等电子陷阱子陷阱 等等电子子杂质（如（如N）占据本征原子位置占据本征原子位置（如（如GaAsP中的中的P位置）后，即位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。 N NP35编辑ppt(3)(3)束束缚激子激子 例：例：GaP：N NP+e NP-（等等电子陷阱）子陷阱）之后之后 NP- +h NP- +h 束束缚激子激子 即等即等电子陷阱俘子陷阱俘获一种符号的一种符号的载流子后，流子后，又因又因带电中心的中心的库仑作用又俘作用又俘获另一种另一种带电符符号的号的载流子，流子，这就是就是束束缚激子激子。36编辑ppt(4)(4)两性两性杂质举例：例：GaAs中中掺Si（族）族）Ga：族族 As：族族 两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其 中既可以作施主又可以作受主，这 种杂质称为两性杂质。Si Ga受主SiAs施主两性杂质37编辑ppt2.4 缺 陷 能 级2.4.1 2.4.1 点缺陷点缺陷空位：指本体原子缺位；空位：指本体原子缺位；间隙：指不隙：指不应有原子的地方加入了一个原子有原子的地方加入了一个原子38编辑ppt1、空位、间隙的产生与消失（1）由体内产生：在较高温度下，极少数的原子热运动特别激烈，克服周围原子化学键束缚而脱离格点，形成间隙原子，原先所处的位置成为空位。这时空位和间隙原子成对出现弗弗仑克克尔缺陷。缺陷。39编辑ppt（2）由表面产生：在表面空位和间隙原子都可以单独的产生，然后扩散到体内。这时空位和间隙原子的数目也是独立变化的。（3）消失过程：空位和间隙原子的产生过程都可以倒过来进行。 在温度保持一定条件下，产生和消失可以达到相对的平衡，这时空位和间隙原子的浓度将保持相对稳定.以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷.40编辑ppt2 2、位、位错能能级（主要指（主要指线缺陷）缺陷） 如图，在位错所在处，有一个不成对的电子成为不饱和的共价键： 若这一不饱和键获得一个电子，起受主作用；而当原子E失去一个价电子，则起施主作用。一般情况下位错倾向于得到电子，起受主作用，而且产生的受主能级是深能级。41编辑ppt 位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。一般情况下，在晶格伸张区，材料的禁带宽度减小；而在晶格压缩区，材料的禁带宽度变大。42编辑ppt利用半利用半导体的体的杂质补偿效效应，可以，可以改改变半半导体的（体的（ ）类型型A A、漂移漂移 B B、热运运动 C C、迁移率迁移率 D D、导电43编辑ppt 硅、硅、锗，砷化，砷化镓的能的能带结构的基本特征构的基本特征4、砷化镓锗的能带结构（1） 的负温度特性 （3）直接能隙结构即价带的最高点与导带的最低点处于K空间的同一点（2） 44编辑ppt